JP3513158B2 - Semiconductor integrated circuit device - Google Patents

Semiconductor integrated circuit device

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JP3513158B2
JP3513158B2 JP24827891A JP24827891A JP3513158B2 JP 3513158 B2 JP3513158 B2 JP 3513158B2 JP 24827891 A JP24827891 A JP 24827891A JP 24827891 A JP24827891 A JP 24827891A JP 3513158 B2 JP3513158 B2 JP 3513158B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、フリップフロップ回路
を含む半導体集積回路装置、さらには情報の伝達経路に
配置されたフリップフロップ回路に対するクロック同期
動作によってその論理動作タイミングが制御される半導
体集積回路装置に関し、例えばマイクロプロセッサ若し
くはマイクロコンピュータなどの論理LSIに適用して
有効な技術に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device including a flip-flop circuit, and a semiconductor integrated circuit whose logical operation timing is controlled by clock synchronous operation with respect to a flip-flop circuit arranged in an information transmission path. The present invention relates to a device, for example, a technique effectively applied to a logic LSI such as a microprocessor or a microcomputer.

【0002】[0002]

【従来の技術】マイクロプロセッサなどの論理LSIに
おいては、その実行部に含まれる算術論理演算回路、マ
ルチプレクサ、シフタ、デコーダ、及びセレクタなどの
論理回路間の情報伝達経路にレジスタを配置し、各レジ
スタをクロック信号で同期動作させることにより容易に
誤動作を防止してデータ処理を行うようになっている。
斯るレジスタとしては、クロック信号サイクル、さらに
はカップリングノイズや微小リーク電流そしてアルファ
ー線などの影響に拘らず安定的にデータを保持すること
ができる複数のスタティック型のフリップフロップ回路
が一般的に採用されている。
2. Description of the Related Art In a logic LSI such as a microprocessor, a register is arranged in an information transmission path between logic circuits such as an arithmetic logic operation circuit, a multiplexer, a shifter, a decoder, and a selector included in an execution section of each register. Are synchronized with a clock signal to easily prevent malfunction and perform data processing.
As such a register, generally, a plurality of static flip-flop circuits capable of stably holding data regardless of the influence of a clock signal cycle, coupling noise, minute leak current, alpha ray, etc. are generally used. Has been adopted.

【0003】このような論理LSIの性能は、情報の伝
達経路に配置された複数のスタティック型フリップフロ
ップ回路の動作を規定するクロック信号サイクルによっ
て決定される。すなわち、クロック信号の変化に同期し
てレジスタすなわち複数のスタティック型フリップフロ
ップ回路からデータが出力されると、そのデータに対し
て種々の論理演算などが施され、当該演算結果が次段の
レジスタに到達するタイミングに併せて当該次段のレジ
スタがクロック信号の変化に同期してデータを入力でき
るように、当該クロック信号のサイクルが決定される。
The performance of such a logic LSI is determined by a clock signal cycle which defines the operation of a plurality of static flip-flop circuits arranged in an information transmission path. That is, when data is output from a register, that is, a plurality of static flip-flop circuits in synchronization with a change in a clock signal, various logical operations are performed on the data, and the operation result is stored in the register of the next stage. The cycle of the clock signal is determined so that the register of the next stage can input data in synchronization with the arrival timing in synchronization with the change of the clock signal.

【0004】尚、このようなマイクロプロセッサについ
て記載された文献の例としては日経マグロウヒル社発行
の「日経エレクトロニクス(1987年7月13日
号)」第124頁から第138頁がある。
Examples of documents describing such a microprocessor are "Nikkei Electronics (July 13, 1987)", pages 124 to 138, published by Nikkei McGraw-Hill.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来こ
の種の論理LSIにおいてレジスタを構成する複数のス
タティック型フリップフロップ回路にクロック信号の変
化が与えられてからその内部に保持されたデータが出力
されるまでの遅延時間、若しくはクロック信号の変化に
同期してデータの書き込みが開始されるまでの動作遅延
時間は、ナンドゲートやノアゲートなどの一般ゲートに
比べて数倍大きくなり、論理LSIを高性能化もしくは
高速化を図るための障害になる虞のあることが本発明者
によって明らかにされた。なぜなら、順序回路としての
スタティック型フリップフロップ回路においては、その
データ入力端子とそのデータ出力端子との間にデータを
スタティックにラッチするためのデータ系論理ゲートや
上記データ系論理ゲートをクロック信号に同期して動作
させるためのクロック系論理ゲートなどを含むため、デ
ータ入力端子からデータ出力端子までの間に存在するゲ
ート直列段数が多くなるからである。
However, in the conventional logic LSI of this type, a plurality of static flip-flop circuits constituting a register are changed in the clock signal and then the data held therein is output. Until the data writing is started in synchronism with the change of the clock signal, the delay time is up to several times longer than that of general gates such as NAND gates and NOR gates. It has been clarified by the present inventor that there is a possibility that it may be an obstacle to speeding up. This is because in a static flip-flop circuit as a sequential circuit, a data system logic gate for statically latching data between its data input terminal and its data output terminal and the data system logic gate are synchronized with a clock signal. This is because the number of gate serial stages existing between the data input terminal and the data output terminal increases because it includes a clock logic gate for operating the same.

【0006】ここで着目するフリップフロップ回路は同
期式順序回路として位置づけられるものであり、特に本
発明者は、デザイン・オートメーションのような自動配
置配線の単位セルもしくは標準セルとされるフリップフ
ロップ回路、具体的には図13に示されるレベルセンス
型のフリップフロップについて検討した。
The flip-flop circuit to which attention is paid here is positioned as a synchronous sequential circuit, and in particular, the inventor of the present invention has found that the flip-flop circuit, which is a unit cell or a standard cell of automatic placement and wiring such as design automation, Specifically, the level sense flip-flop shown in FIG. 13 was examined.

【0007】同図においてG101からG103及びG
106からG108はインバータゲート、G104及び
G105はナンドゲート、T101及びT102はトラ
ンスファゲートを表している。前記ナンドゲートG10
4,G105はトランスファゲートT101を介して帰
還接続されることによりスタティックラッチを構成す
る。同図に示されるフリップフロップ回路は標準セルと
して利用されるものでありその入出力端子に接続される
回路の駆動能力や容量性負荷は実際にこのフリップフロ
ップが利用される半導体集積回路装置毎にまちまちであ
り、これを考慮して前記インバータゲートG101,G
103,G106,G107が設けられている。すなわ
ち、前記インバータゲートG101はデータ書き込みタ
イミングを規定するセットアップ時間及びホールド時間
並びにクロック最小パルス幅がクロック信号CLKの入
力波形の変化の傾きに影響されないようにするための波
形整形を行う。前記インバータゲートG103はデータ
D入力の前段回路の駆動能力に書き込み時間が影響され
ないようにするための増幅機能を持つ。前記インバータ
ゲートG106,G107はデータの出力動作が出力側
負荷容量の影響を受けないようにする。また、クロック
信号CLKのレベル変化によって取り込まれる入力デー
タDの書き込み及び読出しに対してセット及びリセット
動作を優先させるように、前記インバータゲートG10
6,G107の入力はナンドゲートG105の出力側に
接続され、ナンドゲートG104の入力側には接続され
ていない。
In the figure, G101 to G103 and G
106 to G108 are inverter gates, G104 and G105 are NAND gates, and T101 and T102 are transfer gates. The NAND gate G10
4, G105 constitutes a static latch by being feedback-connected via the transfer gate T101. The flip-flop circuit shown in the figure is used as a standard cell, and the driving capacity and the capacitive load of the circuit connected to its input / output terminal are different for each semiconductor integrated circuit device in which this flip-flop is actually used. It varies, and in consideration of this, the inverter gates G101, G
103, G106, and G107 are provided. That is, the inverter gate G101 performs waveform shaping so that the setup time and hold time that define the data write timing and the minimum pulse width of the clock are not affected by the slope of the change in the input waveform of the clock signal CLK. The inverter gate G103 has an amplifying function to prevent the writing time from being influenced by the driving capability of the data D input front stage circuit. The inverter gates G106 and G107 prevent the data output operation from being affected by the output side load capacitance. Further, the inverter gate G10 is configured to give priority to the set and reset operations with respect to the writing and reading of the input data D that is taken in by the level change of the clock signal CLK.
6, the inputs of G107 are connected to the output side of the NAND gate G105, and are not connected to the input side of the NAND gate G104.

【0008】したがって、このフリップフロップ回路に
おいてクロック信号CLKがハイレベルに変化されてか
ら反転出力Q*(*は負論理を意味する)を得るまでに
は6段のゲートG101,T102,G104,G10
5,G106,G108の出力が確定するのを待たなけ
ればならず、また、非反転出力(正転出力)Qを得るに
は5段のゲートG101,T102,G104,G10
5,G107の出力が確定するのを待たなければならな
い。これにより、クロック信号CLKのハイレベルへの
変化からデータ出力が確定するまでの遅延は大きくなっ
てしまう。
Therefore, in this flip-flop circuit, six stages of gates G101, T102, G104, and G10 are provided after the clock signal CLK is changed to the high level and before the inverted output Q * (* means negative logic) is obtained.
5, it is necessary to wait for the outputs of G106 and G108 to be determined, and in order to obtain the non-inverted output (normal output) Q, the gates G101, T102, G104 and G10 of five stages are provided.
5, it is necessary to wait until the output of G107 is fixed. As a result, the delay from the change of the clock signal CLK to the high level until the data output is determined becomes large.

【0009】図14には本発明者が検討した別のフリッ
プフロップ回路が示される。同図に示されるフリップフ
ロップ回路は複合ゲートとしての2個のオア・アンド・
インバータゲートG113,G114によってスタティ
ックラッチが構成され、クロック信号CLKの入力段に
は波形整形用インバータゲートG111が配置され、出
力側には書き込み動作が出力側負荷容量に影響されない
ようにするためのインバータゲートG115,G116
が配置され、さらに入力データDの反転用インバータゲ
ートG112が設けられている。このフリップフロップ
回路もクロック信号CLKがハイレベルに変化されてか
ら反転出力Q*及び正転出力Qを得るまでには、4段の
ゲートG111,G113,G114,G116、又は
G111,G113,G114,G115の出力が確定
するのを待たなければならず、上記同様にクロック信号
CLKのハイレベルへの変化からデータ出力が確定する
までに大きな遅延を生ずる。
FIG. 14 shows another flip-flop circuit examined by the present inventor. The flip-flop circuit shown in the figure has two OR-and-
A static latch is formed by the inverter gates G113 and G114, a waveform shaping inverter gate G111 is arranged at the input stage of the clock signal CLK, and an inverter for preventing the write operation from being influenced by the output side load capacitance at the output side. Gate G115, G116
And an inverter gate G112 for inverting the input data D is provided. This flip-flop circuit also has four stages of gates G111, G113, G114, G116 or G111, G113, G114, until the inverted output Q * and the non-inverted output Q are obtained after the clock signal CLK is changed to the high level. Since it is necessary to wait for the output of G115 to be determined, similarly to the above, a large delay occurs from the change of the clock signal CLK to the high level until the data output is determined.

【0010】このように従来のクロック同期型フリップ
フロップ回路ではクロック信号のレベル変化からデータ
出力が確定するまでに比較的大きな遅延を生ずるため、
クロック信号に対するデータのセットアップ時間やホー
ル時間を所要時間確保するためには必然的にクロック信
号周期が長くなる。これにより、斯るフリップフロップ
回路の動作を規定するクロック信号のサイクルによって
動作速度が決定されるような論理LSIにおいてはその
高速化に限界を生じてしまう。例えばそのようなフリッ
プフロップ回路がクリティカルパスに存在している場
合、当該フリップフロップ回路の動作遅延時間が論理L
SIの高速化を阻むこととなる。
As described above, in the conventional clock-synchronous flip-flop circuit, a relatively large delay occurs from the level change of the clock signal until the data output is determined.
The clock signal period is inevitably long in order to secure the required time for the data setup time and hall time for the clock signal. As a result, there is a limit to the speedup of the logic LSI whose operation speed is determined by the cycle of the clock signal that defines the operation of the flip-flop circuit. For example, when such a flip-flop circuit exists in the critical path, the operation delay time of the flip-flop circuit is logic L.
This will prevent an increase in SI speed.

【0011】特に高速化という点だけに関してはECL
回路を採用することもできるが、MOS型半導体集積回
路装置に比べると高集積化し難く消費電力も格段に大き
いため、必ずしも得策ではない。
Especially, only in terms of speeding up, ECL
Although a circuit can be adopted, it is not necessarily a good idea because it is difficult to achieve high integration and the power consumption is remarkably large as compared with the MOS type semiconductor integrated circuit device.

【0012】本発明の目的は、クロック同期型フリップ
フロップ回路の動作遅延を少なくして半導体集積回路装
置の論理動作を高速化しようとするものである。
An object of the present invention is to reduce the operation delay of a clock synchronous flip-flop circuit and speed up the logical operation of a semiconductor integrated circuit device.

【0013】本発明の別の目的は、フリップフロップ回
路の動作を規定するクロック信号サイクルによって性能
が決定されるような半導体集積回路装置において、高集
積化並びに低消費電力化を実現しつつ、フリップフロッ
プ回路の性能の点において高速に論理動作を行うことが
できる半導体集積回路装置を提供することにある。
Another object of the present invention is to realize high integration and low power consumption in a semiconductor integrated circuit device whose performance is determined by a clock signal cycle that defines the operation of a flip-flop circuit, while realizing high integration and low power consumption. It is an object of the present invention to provide a semiconductor integrated circuit device capable of performing a logical operation at high speed in terms of the performance of a switching circuit.

【0014】本発明の前記並びにその他の目的と新規な
特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるで
あろう。
The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記
の通りである。
The outline of the representative one of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.

【0016】すなわち、情報の伝達経路に配置されたフ
リップフロップ回路に対するクロック同期動作によっ
て、その論理動作タイミングが制御される半導体集積回
路装置に、図4の曲線(a)以下の領域に含まれる動作
特性を持つフリップフロップ回路を採用するものであ
る。
That is, in the semiconductor integrated circuit device whose logical operation timing is controlled by the clock synchronous operation with respect to the flip-flop circuit arranged in the information transmission path, the operation included in the area below the curve (a) in FIG. It employs a flip-flop circuit having characteristics.

【0017】また、情報の伝達経路に配置されたフリッ
プフロップ回路に対するクロック同期動作によって、そ
の論理動作タイミングが制御される半導体集積回路装置
において、前記フリップフロップ回路として、そのデー
タ入力端子と出力端子との間に、記憶回路とこの記憶回
路よりも直列ゲート段数の少ないバイパス回路とを並列
接続する構成を採用するものである。
Further, in the semiconductor integrated circuit device whose logical operation timing is controlled by the clock synchronous operation with respect to the flip-flop circuit arranged in the information transmission path, the flip-flop circuit has its data input terminal and output terminal. In between, a storage circuit and a bypass circuit having a smaller number of serial gate stages than the storage circuit are connected in parallel.

【0018】或いは、情報の伝達経路に配置されたフリ
ップフロップ回路に対するクロック同期動作によって、
その論理動作タイミングが制御される半導体集積回路装
置において、前記フリップフロップ回路として、そのデ
ータ入力端子と出力端子との間に記憶回路とバイパス回
路を並列接続し、前記データ入力端子から出力端子に至
るまでのデータの伝播遅延時間に関し記憶回路に比べて
バイパス回路の方が小さくなる構成を採用するものであ
る。
Alternatively, by a clock synchronous operation with respect to the flip-flop circuit arranged in the information transmission path,
In the semiconductor integrated circuit device whose logical operation timing is controlled, as the flip-flop circuit, a memory circuit and a bypass circuit are connected in parallel between the data input terminal and the output terminal of the flip-flop circuit to reach the output terminal from the data input terminal. With respect to the data propagation delay time up to, the bypass circuit is smaller than the storage circuit.

【0019】前記バイパス回路は、記憶回路の論理を通
さずに、該記憶回路に書き込まれるべき情報を迂回して
出力端子に伝達するものである。記憶回路の出力確定前
の保持情報とバイパス回路の出力情報との競合を防止す
る場合には、前記記憶回路のデータ書き込み動作時に前
記バイパス回路を前記データ出力端子と導通状態にし、
前記記憶回路のデータ保持状態の時に前記バイパス回路
を前記データ出力端子と非導通状態にするところの切り
替え手段を上記フリップフロップ回路に含めるとよい。
The bypass circuit bypasses the logic of the memory circuit and bypasses the information to be written in the memory circuit and transmits it to the output terminal. In order to prevent the conflict between the holding information before the output of the storage circuit is confirmed and the output information of the bypass circuit, the bypass circuit is brought into conduction with the data output terminal during the data writing operation of the storage circuit,
It is preferable that the flip-flop circuit includes switching means for bringing the bypass circuit into a non-conductive state with the data output terminal when the memory circuit is in a data holding state.

【0020】前記切り替え手段は、前記記憶回路の書き
込み動作を制御するクロック信号と実質的に同一のクロ
ック信号に基づいてその導通/非導通状態が切り替え制
御される、スイッチ回路、論理ゲート、及びクロックド
ゲートの中から選ばれた単数若しくは複数の手段を採用
することができる。
The switching means has a switch circuit, a logic gate, and a clock whose conduction / non-conduction state is controlled to be switched based on a clock signal which is substantially the same as a clock signal which controls the write operation of the memory circuit. It is possible to employ one or more means selected from among the gates.

【0021】また、情報の伝達経路に配置されたフリッ
プフロップ回路に対するクロック同期動作によって、そ
の論理動作タイミングが制御される半導体集積回路装置
において、前記フリップフロップ回路として、そのデー
タ入力端子と出力端子との間に記憶回路とバイパス回路
を並列接続し、記憶回路のデータ書き込み動作時にはバ
イパス回路の出力を出力端子に伝達し、記憶回路のデー
タ保持状態においては記憶回路の出力を前記出力端子に
伝達する手段を含む構成を採用してもよい。
Further, in the semiconductor integrated circuit device whose logical operation timing is controlled by the clock synchronous operation for the flip-flop circuit arranged in the information transmission path, the flip-flop circuit has its data input terminal and output terminal. The storage circuit and the bypass circuit are connected in parallel between the two, and the output of the bypass circuit is transmitted to the output terminal during the data writing operation of the storage circuit, and the output of the storage circuit is transmitted to the output terminal in the data holding state of the storage circuit. You may employ | adopt the structure containing a means.

【0022】フリップフロップ回路が適用される回路構
成の如何に拘らず動作の安定化若しくは動作仕様の統一
化を図るには、前記記憶回路における情報書き込みのた
めのセットアップ時間及びホールド時間をデータ出力端
子に結合される容量性負荷の大小に大きく依存させない
ために、出力端子に結合されるべき負荷を駆動するドラ
イバー回路を設けるとよい。
In order to stabilize the operation or unify the operation specifications regardless of the circuit configuration to which the flip-flop circuit is applied, the setup time and hold time for writing information in the memory circuit are set to the data output terminal. A driver circuit for driving the load to be coupled to the output terminal may be provided in order not to largely depend on the magnitude of the capacitive load coupled to the.

【0023】正転出力と反転出力とを有する構成に対応
させるには、正転出力用のバイパス回路と反転出力用の
バイパス回路とを夫々別々に含めることができる。
In order to correspond to the structure having the normal output and the inverted output, the bypass circuit for the normal output and the bypass circuit for the inverted output can be separately included.

【0024】カップリングノイズや微小リーク電流など
の影響を受けないような情報記憶の安定化を図るには、
スタティックに情報を保持する形式の記憶回路を採用す
るとよい。
In order to stabilize information storage that is not affected by coupling noise, minute leak current, etc.,
It is advisable to employ a memory circuit of a type that statically holds information.

【0025】記憶回路にセット/リセット機能がある場
合に、クロック信号がどのような状態にあってもフリッ
プフロップ回路全体におけるセット/リセット動作を優
先させるには、バイパス回路にもセット/リセット機能
を設けておくことが望ましい。即ち、バイパス回路に
は、第1の信号に応答して前記出力端子に出力されるデ
ータを第1の値に強制し、第2の信号に応答して前記出
力端子に出力されるデータを第2の値に強制する手段を
設けておく。
When the memory circuit has a set / reset function, in order to give priority to the set / reset operation in the entire flip-flop circuit regardless of the state of the clock signal, the bypass circuit should also have the set / reset function. It is desirable to have it. That is, the bypass circuit forces the data output to the output terminal to a first value in response to the first signal and outputs the data output to the output terminal in response to the second signal to the first value. A means for forcing a value of 2 is provided.

【0026】フリップフロップ回路が直列接続形態のマ
スタ段及びスレーブ段の2個の記憶回路を備える場合、
少なくともスレーブ段にバイパス回路を並列接続するこ
とが望ましい。
When the flip-flop circuit includes two memory circuits of a master stage and a slave stage, which are connected in series,
It is desirable to connect a bypass circuit in parallel to at least the slave stage.

【0027】また、高集積化及び抵消費電力化という点
においては、前記フリップフロップ回路を含む半導体集
積回路装置を相補型MOS回路形式で構成するのがよ
い。また、フリップフロップ回路の駆動能力向上という
点においては、前記フリップフロップ回路をバイポーラ
トランジスタとMOSトランジスタを含むBI−CMO
S回路で構成することもできる。
In terms of high integration and low power consumption, it is preferable that the semiconductor integrated circuit device including the flip-flop circuit is constructed in a complementary MOS circuit form. Further, in terms of improving the driving capability of the flip-flop circuit, the flip-flop circuit is a BI-CMO including a bipolar transistor and a MOS transistor.
It can also be configured with an S circuit.

【0028】[0028]

【作用】上記した手段によれば、クロック信号の変化に
同期して記憶回路が入力データを取り込んで保持すると
き、この記憶回路に並列接続されたバイパス回路は、こ
れに並行してその入力データに応ずる情報を出力する。
バイパス回路は、記憶動作を伴わず、若しくは内蔵ゲー
トの直列接続段数が記憶回路よりも少なく、又は入力端
子から出力端子までの情報伝達遅延が記憶回路よりも小
さくされているから、記憶回路への入力データの書き込
み動作が完了する以前にバイパス回路は上記入力データ
に対応する情報を高速に出力する。このようにクロック
信号の変化に同期して入力データがフリップフロップの
入力端子へ入力されてから該入力データに応ずるデータ
がフリップフロップの出力端子に出力されるまでのタイ
ミングが早められる。このことは、クロック同期型フリ
ップフロップ回路の動作遅延を少なくすることとなる。
したがってフリップフロップ回路の動作を規定するため
のクロック信号サイクルによって、その性能が決定され
るようなマイクロプロセッサ若しくはマイクロコンピュ
ータなどの半導体集積回路装置において、上記クロック
信号サイクルを高速化できるので上記半導体集積回路装
置の論理動作を高速化することができる。
According to the above-mentioned means, when the storage circuit fetches and holds the input data in synchronization with the change of the clock signal, the bypass circuit connected in parallel to the storage circuit is in parallel with the input data. The information corresponding to is output.
The bypass circuit does not involve a storage operation, has a smaller number of stages of serially connected built-in gates than the storage circuit, or has an information transfer delay from an input terminal to an output terminal smaller than that of the storage circuit. Before the write operation of the input data is completed, the bypass circuit outputs the information corresponding to the input data at high speed. In this way, the timing from the input of the input data to the input terminal of the flip-flop in synchronization with the change of the clock signal to the output of the data corresponding to the input data to the output terminal of the flip-flop is accelerated. This reduces the operation delay of the clock synchronous flip-flop circuit.
Therefore, in a semiconductor integrated circuit device such as a microprocessor or a microcomputer, the performance of which is determined by a clock signal cycle for defining the operation of the flip-flop circuit, the clock signal cycle can be speeded up. The logical operation of the device can be speeded up.

【0029】そして、斯る半導体集積回路装置をMOS
型半導体集積回路装置で構成するとき、素子の微細化と
これに伴う電源電圧の低電圧化の促進により、スケーリ
ング則に従ってフリップフロップ回路はもとよりLSI
の全体的な動作が更に高速化され、高集積化並びに低消
費電力化を犠牲にすることなく、フリップフロップ回路
の性能の点において一層高速な論理動作を達成する。
Then, such a semiconductor integrated circuit device is provided with a MOS.
Type semiconductor integrated circuit device, due to the miniaturization of elements and the accompanying reduction of the power supply voltage, the flip-flop circuit as well as the LSI according to the scaling rule.
The overall operation of the flip-flop circuit is further accelerated, and a higher-speed logic operation is achieved in terms of the performance of the flip-flop circuit without sacrificing high integration and low power consumption.

【0030】[0030]

【実施例】図2には本発明の一実施例に係るマイクロコ
ンピュータ若しくはマイクロプロセッサのチップレイア
ウト図が示される。
FIG. 2 is a chip layout diagram of a microcomputer or microprocessor according to an embodiment of the present invention.

【0031】同図において1はシリコンのような1個の
半導体基板である。例えばこの半導体基板1の外縁部に
は多数のボンディングパッド2が配置されると共に、入
力バッファ、出力バッファ、及び入出力バッファの形成
領域3が構成される。上記形成領域3の内側には、命令
をプリフェッチする命令キュー4、命令キュー4から所
定の手順で命令を受け取る命令レジスタ5、命令レジス
タ5が保持する命令をデコードして各種制御信号を生成
する命令デコーダ6などを含む命令制御部が構成され
る。更に算術論理演算器7、乗算器アレイ8、バレルシ
フタ9、演算レジスタ10などの演算手段、そしてこれ
を制御する浮動小数点コントローラ11や乗算器コント
ローラ12が設けられる。そのほかに、レジスタファイ
ル13、データキャッシュメモリ14、アドレスレジス
タ15、アドレス変換バッファ16、クロックジェネレ
ータ17などが設けられている。このマイクロプロセッ
サ1は、命令レジスタ5にフェッチした命令を命令デコ
ーダ6が解読することにより、各種演算器やレジスタな
どを介してデータやアドレスの演算などを行ってその命
令を実行する。
In the figure, 1 is one semiconductor substrate such as silicon. For example, a large number of bonding pads 2 are arranged on the outer edge of the semiconductor substrate 1, and an input buffer, an output buffer, and an input / output buffer forming region 3 are formed. Inside the formation area 3, an instruction queue 4 that prefetches instructions, an instruction register 5 that receives instructions from the instruction queue 4 in a predetermined procedure, and an instruction that decodes the instructions held by the instruction register 5 and generates various control signals. An instruction control unit including the decoder 6 and the like is configured. Further, arithmetic logic unit 7, multiplier array 8, barrel shifter 9, arithmetic register, and other arithmetic means, and a floating point controller 11 and a multiplier controller 12 for controlling the arithmetic means are provided. In addition, a register file 13, a data cache memory 14, an address register 15, an address conversion buffer 16 and a clock generator 17 are provided. In the microprocessor 1, the instruction fetched in the instruction register 5 is decoded by the instruction decoder 6 so that data and addresses are calculated through various arithmetic units and registers to execute the instruction.

【0032】図3には、図2に示したマイクロプロセッ
サ1の性能を指標する情報伝達経路例えばクリティカル
パスの一例が示されている。同図に示されるクリティカ
ルパスは、特に制限されないが、ジャンプ命令によって
命令アドレスを生成するときのパスである。命令レジス
タ5、演算レジスタ10、及びアドレスレジスタ15は
例えばクロック信号CLKの変化に同期してデータを書
き込み保持する。命令レジスタ5はクロック信号CLK
の変化に同期して命令を入力保持してこれを出力する。
出力された命令は命令デコーダ6で解読されて、セレク
タ20を通して算術論理演算器7に供給され、そこでの
演算結果は演算レジスタ10に向けて伝達される。この
演算結果が正常に後段に伝達されて誤動作を生じないよ
うにするには、演算レジスタ10にクロック信号CLK
の次の変化が与えられる前に、即ちサイクルタイムTc
yc以内に当該演算結果データが演算レジスタ10の入
力に到達していなければならない。同様に演算レジスタ
10から出力されるデータに対してバレルシフタ9で演
算されてセレクタ21を介してアドレスレジスタ15に
伝達される情報に関してもサイクルタイムTcyc以内
に該アドレスレジスタ15の入力に到達していなければ
ならない。前記命令レジスタ5、演算レジスタ10、ア
ドレスレジスタ15などはその構成ビット数に応ずる数
のフリップフロップ回路によって構成され、命令デコー
ダ6や算術論理演算器7などはナンドゲート、ノアゲー
ト、インバータゲートなどによって構成される。図3の
クリティカルパスで代表されるように、情報の伝達経路
に配置されたフリップフロップ回路に対するクロック同
期動作によって、その論理動作タイミングが制御される
ような本実施例のマイクロプロセッサ1において、デー
タ処理の高速化を図るにはサイクルタイムTcycの短
縮が必要であり、そのためにはナンドゲートなどの組み
合わせ回路の動作遅延時間を小さくするのと同時に、フ
リップフロップ回路においてクロック信号CLKが変化
してから正規のデータが出力されるまでの遅延時間を極
力短くすることが必要になる。
FIG. 3 shows an example of an information transmission path for indicating the performance of the microprocessor 1 shown in FIG. 2, for example, a critical path. The critical path shown in the figure is a path when an instruction address is generated by a jump instruction, although not particularly limited. The instruction register 5, the arithmetic register 10, and the address register 15 write and hold data in synchronization with a change in the clock signal CLK, for example. Instruction register 5 is clock signal CLK
The instruction is input and held and output in synchronization with the change of.
The output instruction is decoded by the instruction decoder 6 and supplied to the arithmetic and logic operation unit 7 through the selector 20, and the operation result there is transmitted to the operation register 10. In order to prevent the operation result from being normally transmitted to the subsequent stage and causing a malfunction, the operation register 10 is supplied with the clock signal CLK.
Of the cycle time Tc before the next change of
The calculation result data must reach the input of the calculation register 10 within yc. Similarly, the information output from the operation register 10 by the barrel shifter 9 and transmitted to the address register 15 via the selector 21 must reach the input of the address register 15 within the cycle time Tcyc. I have to. The instruction register 5, the arithmetic register 10, the address register 15 and the like are composed of flip-flop circuits of the number corresponding to the number of bits constituting the instruction register 6, the instruction decoder 6 and the arithmetic logic operation unit 7 are composed of a NAND gate, a NOR gate, an inverter gate and the like. It As represented by the critical path of FIG. 3, in the microprocessor 1 of the present embodiment in which the logical operation timing is controlled by the clock synchronous operation with respect to the flip-flop circuit arranged in the information transmission path, the data processing is performed. It is necessary to shorten the cycle time Tcyc in order to increase the operation speed of the flip-flop circuit. Therefore, the operation delay time of the combinational circuit such as the NAND gate is reduced, and at the same time, the normal time after the clock signal CLK changes in the flip-flop circuit. It is necessary to minimize the delay time until the data is output.

【0033】図1には前記各種レジスタを構成するため
のフリップフロップ回路の一例が示される。同図に示さ
れるフリップフロップ回路30はクロック信号CLKの
レベルに従ってデータを入力するレベルセンス型のもの
であり、クロック入力端子31、データ入力端子32、
データ正転出力端子33、データ反転出力端子34、セ
ット端子35、リセット端子36を有し、データの入力
端子と出力端子との間に、記憶回路40、正転出力用の
バイパス回路41、及び反転出力用のバイパス回路42
が並列接続され、それらは共通のクロック信号CLK、
セット信号S*、リセット信号R*によって制御され
る。図中のVccは2ボルトの様な電源電圧とされ、G
NDは0ボルトの様な接地電圧とされる。
FIG. 1 shows an example of a flip-flop circuit for forming the various registers. The flip-flop circuit 30 shown in the figure is of a level sense type which inputs data in accordance with the level of the clock signal CLK, and includes a clock input terminal 31, a data input terminal 32,
It has a data non-inversion output terminal 33, a data inversion output terminal 34, a set terminal 35, and a reset terminal 36, and a storage circuit 40, a non-inversion output bypass circuit 41, and a data input terminal and an output terminal. Bypass circuit 42 for inverting output
Are connected in parallel, and they have a common clock signal CLK,
It is controlled by the set signal S * and the reset signal R *. Vcc in the figure is a power supply voltage such as 2 V, and G
ND is set to a ground voltage such as 0 volt.

【0034】前記正転出力用のバイパス回路41は、イ
ンバータゲートG2と、2個のpチャンネル型のMOS
若しくはMIS型電界効果トランジスタ(以下単にMO
Sトランジスタとも記す)MP1,MP2及び2個のn
チャンネル型のMOSトランジスタMN1,MN2によ
って構成されるクロックドインバータゲートG20と、
相補型MOSトランスファゲート(以下単にトランスフ
ァゲートとも記す)T1によって構成される入力データ
Dの伝達経路を含む。
The normal output bypass circuit 41 includes an inverter gate G2 and two p-channel MOS transistors.
Alternatively, a MIS field effect transistor (hereinafter simply referred to as MO
Also referred to as S-transistor) MP1, MP2 and two n
A clocked inverter gate G20 composed of channel type MOS transistors MN1 and MN2;
It includes a transmission path of input data D formed by a complementary MOS transfer gate (hereinafter also simply referred to as a transfer gate) T1.

【0035】前記反転出力用のバイパス回路42は、2
個のpチャンネル型のMOSトランジスタMP4,MP
5及び2個のnチャンネル型のMOSトランジスタMN
4,MN5によって構成されるクロックドインバータゲ
ートG21と、トランスファゲートT2によって構成さ
れる入力データDの伝達経路を含む。
The inverting output bypass circuit 42 has two
P channel type MOS transistors MP4, MP
Five and two n-channel type MOS transistors MN
4, a clocked inverter gate G21 constituted by MN5 and a transmission path of input data D constituted by a transfer gate T2.

【0036】前記記憶回路40は、トランスファゲート
T3と2個のナンドゲートG8,G9によって構成され
るスタティックラッチを有し、インバータゲートG7、
トランスファゲートT4、ナンドゲートG8,G9、ト
ランスファゲートT3、インバータゲートG10、及び
トランスファゲートT5によってデータの正転出力用伝
達経路を構成し、且つ、インバータゲートG7、トラン
スファゲートT4、ナンドゲートG8,G9、トランス
ファゲートT3、インバータゲートG11、及びトラン
スファゲートT6によってデータの反転出力用伝達経路
を構成する。
The memory circuit 40 has a static latch composed of a transfer gate T3 and two NAND gates G8 and G9, and an inverter gate G7,
The transfer gate T4, the NAND gates G8 and G9, the transfer gate T3, the inverter gate G10, and the transfer gate T5 constitute a transmission path for normal data output, and the inverter gate G7, the transfer gate T4, the NAND gates G8 and G9, and the transfer gate. The gate T3, the inverter gate G11, and the transfer gate T6 form a data inversion output transmission path.

【0037】フリップフロップ回路30におけるセット
/リセット機能は記憶回路40及びバイパス回路41,
42の夫々が持ち、記憶回路40においてセット信号S
*を受けるナンドゲートG8がセット機能を司ると共
に、リセット信号R*を受けるナンドゲートG9がリセ
ット機能を司る。正転出力用のバイパス回路41におい
て、前記クロックドインバータゲートG20並びにpチ
ャンネル型MOSトランジスタMP3及びnチャンネル
型MOSトランジスタMN3がセット/リセット機能を
司る。また、反転出力用のバイパス回路42において、
前記クロックドインバータゲートG21並びにpチャン
ネル型MOSトランジスタMP6及びnチャンネル型M
OSトランジスタMN6がセット/リセット機能を司
る。
The set / reset function in the flip-flop circuit 30 has a storage circuit 40 and a bypass circuit 41,
42 of each set signal S in the memory circuit 40.
The NAND gate G8 which receives * controls the set function, and the NAND gate G9 which receives the reset signal R * controls the reset function. In the non-inverting output bypass circuit 41, the clocked inverter gate G20 and the p-channel type MOS transistor MP3 and the n-channel type MOS transistor MN3 control the set / reset function. In the bypass circuit 42 for inverting output,
The clocked inverter gate G21, p-channel type MOS transistor MP6 and n-channel type M
The OS transistor MN6 controls the set / reset function.

【0038】前記記憶回路40の正転出力とバイパス回
路41の出力はノードN1によってワイヤード・オア接
続され、何れの出力を選択するかは相補的にスイッチ制
御されるトランスファゲートT1,T5によって選択さ
れる。また、記憶回路40の反転出力とバイパス回路4
2の出力はノードN2によってワイヤード・オア接続さ
れ、何れの出力を選択するかは相補的にスイッチ制御さ
れるトランスファゲートT2,T6によって選択され
る。トランスファゲートT1,T2,T5,T6などを
スイッチ制御するためにクロック信号CLKを伝達する
直列3段のインバータゲートG4,G5,G6が配置さ
れている.
The normal output of the storage circuit 40 and the output of the bypass circuit 41 are wired or connected by a node N1, and which output is selected is selected by transfer gates T1 and T5 which are complementarily switch-controlled. It In addition, the inverted output of the storage circuit 40 and the bypass circuit 4
The two outputs are wired-OR connected by the node N2, and which output is selected is selected by the transfer gates T2 and T6 which are complementarily switch-controlled. Inverter gates G4, G5, G6 of three stages in series for transmitting a clock signal CLK for switching control of the transfer gates T1, T2, T5, T6 etc. are arranged.

【0039】クロック信号CLKがハイレベルにされる
と、トランスファゲートT1,T2がオン状態にされ
て、バイパス回路41,42の出力が正転出力端子33
と反転出力端子34に導通状態にされ、記憶回路40の
出力は同出力端子33,34とは非導通状態にされる。
したがって、このときデータ入力端子32からデータD
が与えられると、その正転出力Qがバイパス回路41を
通して出力端子33に供給されると共に、バイパス回路
42を通して反転出力Q*が出力端子34に供給され
る。
When the clock signal CLK is set to the high level, the transfer gates T1 and T2 are turned on, and the outputs of the bypass circuits 41 and 42 are the normal output terminal 33.
And the inverting output terminal 34 are brought into conduction, and the output of the memory circuit 40 is brought out of conduction with the output terminals 33 and 34.
Therefore, at this time, the data D from the data input terminal 32
Is supplied, the normal output Q is supplied to the output terminal 33 through the bypass circuit 41, and the inverted output Q * is supplied to the output terminal 34 through the bypass circuit 42.

【0040】クロック信号CLKがハイレベルのとき記
憶回路40は書き込み状態にされ、バイパス回路41,
42による出力動作に並行して入力データDの書き込み
が行われる。即ちナンドゲートG8,G9と共にスタテ
ィックラッチを構成すトランスファゲートT3がオフ状
態にされ、且つ、インバータゲートG7を介して入力デ
ータDを取り込むトランスファゲートT4がオン状態に
されて、書き込み状態にされる。
When the clock signal CLK is at the high level, the memory circuit 40 is put in the write state, and the bypass circuit 41,
The input data D is written in parallel with the output operation by 42. That is, the transfer gate T3, which constitutes a static latch together with the NAND gates G8 and G9, is turned off, and the transfer gate T4 that takes in the input data D via the inverter gate G7 is turned on and put in a write state.

【0041】この書き込み状態において、セット信号S
*がローレベルにされてセット動作が指示されると、正
転出力用バイパス回路41において、MOSトランジス
タMN2がオフ状態に反転されると共に、MOSトラン
ジスタMP3がオン状態にされ、これによって、入力デ
ータDのレベルに拘らず正転出力Qはハイレベルに固定
される。反転出力用バイパス回路42においては、MO
SトランジスタMN6がオン状態に反転されると共に、
MOSトランジスタMP4がオフ状態にされ、これによ
って、入力データDのレベルに拘らず反転出力Q*はロ
ーレベルに固定される。このとき記憶回路40はローレ
ベルのセット信号S*を受けるナンドゲートG8の作用
により入力データDの論理値に拘らずセット状態にされ
る。このように書き込み動作時にセット動作が指示され
たとき、セット動作はクロック信号CLKによる制御に
優先される。即ち、クロック信号CLKの変化に同期し
て取り込まれるデータDの論理値如何に拘らず正転出力
Q並びに反転出力Q*はセット状態の出力レベルに強制
される。リセット信号R*がローレベルにされてリセッ
ト動作が指示された場合にも同様である。
In this written state, the set signal S
When * is set to a low level and a set operation is instructed, in the non-inverting output bypass circuit 41, the MOS transistor MN2 is inverted to the off state, and the MOS transistor MP3 is turned on. The normal output Q is fixed to the high level regardless of the D level. In the inverting output bypass circuit 42, the MO
When the S transistor MN6 is turned on,
The MOS transistor MP4 is turned off, whereby the inverting output Q * is fixed to the low level regardless of the level of the input data D. At this time, the memory circuit 40 is set to the set state regardless of the logical value of the input data D by the operation of the NAND gate G8 which receives the low level set signal S *. Thus, when the set operation is instructed during the write operation, the set operation has priority over the control by the clock signal CLK. That is, the normal output Q and the inverted output Q * are forced to the output level in the set state regardless of the logical value of the data D taken in in synchronization with the change of the clock signal CLK. The same applies when the reset signal R * is set to the low level and a reset operation is instructed.

【0042】クロック信号CLKがローレベルにされる
と、トランスファゲートT1,T2がオフ状態にされる
と共に、トランスファゲートT5,T6がオン状態にさ
れて、バイパス回路41,42の出力は正転出力端子3
3及び反転出力端子34と非導通状態にされ、記憶回路
40の出力がフリップフロップ回路30の出力とされ
る。このとき、記憶回路40のトランスファゲートT4
がオフ状態にされ、且つトランスファゲートT3がオン
状態にされるため、書き込みされたデータはスタティッ
クにラッチされる。したがって、クロック信号CLKの
ハイレベル期間に記憶回路40に書き込まれたデータは
容量性カップリングや微小リーク電流さらにはアルファ
ー線などの影響を受けて不所望にレベル反転することな
く、安定的に出力端子33,34から出力される。さら
にトランスファゲートT5,T6の前段に配置されたイ
ンバータゲートG10,G11の作用により、出力負荷
容量の影響を受けずにデータを出力することができる。
When the clock signal CLK is set to the low level, the transfer gates T1 and T2 are turned off, the transfer gates T5 and T6 are turned on, and the outputs of the bypass circuits 41 and 42 are forward output. Terminal 3
3 and the inverting output terminal 34 are made non-conductive, and the output of the storage circuit 40 becomes the output of the flip-flop circuit 30. At this time, the transfer gate T4 of the memory circuit 40
Is turned off and the transfer gate T3 is turned on, so that the written data is statically latched. Therefore, the data written in the memory circuit 40 during the high level period of the clock signal CLK is stably output without being undesirably level-reversed due to the influence of the capacitive coupling, the minute leak current, and the alpha ray. It is output from the terminals 33 and 34. Further, by the action of the inverter gates G10 and G11 arranged in front of the transfer gates T5 and T6, data can be output without being affected by the output load capacitance.

【0043】このとき、セット信号S*がローレベルに
されてセット動作が指示されると、記憶回路40はロー
レベルのセット信号S*を受けるナンドゲートG8の作
用により入力データDの論理値に拘らずセット状態にさ
れ、出力端子33に得られる正転出力Qはハイレベル、
そして出力端子34に得られる反転出力Q*はローレベ
ルに固定される。一旦セット動作が指示されてその状態
が記憶回路40に記憶されると、当該セット信号S*が
ハイレベルにネゲートされてもセット状態は安定的に維
持される。また、リセット信号R*がローレベルにされ
てリセット動作が指示された場合にも同様である。
At this time, when the set signal S * is set to the low level and the set operation is instructed, the memory circuit 40 is concerned with the logical value of the input data D by the operation of the NAND gate G8 which receives the set signal S * of the low level. Without being set, the normal output Q obtained at the output terminal 33 is high level,
The inverted output Q * obtained at the output terminal 34 is fixed at a low level. Once the set operation is instructed and the state is stored in the storage circuit 40, the set state is stably maintained even if the set signal S * is negated to the high level. The same applies when the reset signal R * is set to the low level and the reset operation is instructed.

【0044】尚、クロック信号CLKの入力段に配置さ
れているインバータゲートG4などは、データ書き込み
動作を規定するセットアップ時間及びホールド時間並び
にクロック最小パルス幅がクロック信号CLKの入力波
形の変化の傾きに影響されないようにするための波形整
形を行う。
In the inverter gate G4 and the like arranged in the input stage of the clock signal CLK, the setup time and the hold time for defining the data write operation and the minimum clock pulse width depend on the slope of the change of the input waveform of the clock signal CLK. Performs waveform shaping to prevent it from being affected.

【0045】このフリップフロップ回路30において、
クロック信号CLKがハイレベルに変化されてからデー
タが出力されるまでに当該データが通過すべきゲート段
数は、夫々のバイパス回路41,42におけるトランス
ファゲートT1,T2の1段だけで最小にされているか
ら、図13や図14に示されるような回路に比べてクロ
ック信号の変化タイミングから正規のデータが出力され
るまでの遅延時間は極めて少なくされている。しかもこ
のフリップフロップ回路30は、従来と同様に記憶回路
40における書き込み動作の安定性並びにデータ出力性
能の安定性が保証されているから、デザイン・オートメ
ーションのような自動配置配線の単位セルもしくは標準
セルとしての使用態様、即ち実際にこのフリップフロッ
プが利用される半導体集積回路装置毎にその入出力端子
に接続される回路の駆動能力や容量性負荷がまちまちで
あることが想定されるような使用態様にも最適である。
In this flip-flop circuit 30,
The number of gate stages through which the data must pass after the clock signal CLK is changed to the high level until the data is output is minimized by only one stage of the transfer gates T1 and T2 in the bypass circuits 41 and 42, respectively. Therefore, as compared with the circuits shown in FIGS. 13 and 14, the delay time from the change timing of the clock signal to the output of the normal data is extremely short. Moreover, since the flip-flop circuit 30 is assured of the stability of the write operation and the stability of the data output performance in the memory circuit 40 as in the conventional case, it is a unit cell or a standard cell of automatic placement and routing such as design automation. As a mode of use, that is, a mode of use in which it is assumed that the driving capacity and the capacitive load of the circuit connected to the input / output terminal are different for each semiconductor integrated circuit device in which this flip-flop is actually used. It is also perfect for

【0046】ここで、フリップフロップ回路30を構成
するMOSトランジスタのサイズに関しては、MOSト
ランジスタMP2,MN1,MP5,MN4、トランス
ファゲートT1,T2をそれぞれ構成するMOSトラン
ジスタ、及びインバータゲートG4を構成するMOSト
ランジスタのゲート幅を標準とすると、入力データDを
受けるインバータゲートG2,G7構成用MOSトラン
ジスタのゲート幅は標準の半分程度とされ、これにより
入力容量が小さくなって入力データの過渡応答速度を早
めるようになっている。また、MOSトランジスタMP
3,MN3,MP6,MN6、及びトランスファゲート
T5,T6をそれぞれ構成するMOSトランジスタには
その出力ノードにダイオードの寄生容量が付くため、そ
れらMOSトランジスタのゲート幅は標準の半分程度と
される。また、システムリセットや診断時に利用される
ようなセット/リセット動作には高速性が要求されない
から、MOSトランジスタMP1,MN2,MP4,M
N5のゲート入力容量は大きくなっても差し支えない。
このため、バイパス回路41,42の駆動能力増大のた
めにそれらトランジスタのゲート幅は標準の2〜5倍程
度に設定され、オン抵抗が極めて小さくなるようにされ
ている。
Regarding the size of the MOS transistors forming the flip-flop circuit 30, the MOS transistors MP2, MN1, MP5, MN4, the MOS transistors forming the transfer gates T1 and T2, and the MOS forming the inverter gate G4. If the gate width of the transistor is standard, the gate width of the inverter gates G2 and G7 composing MOS transistors that receive the input data D is about half of the standard, which reduces the input capacitance and accelerates the transient response speed of the input data. It is like this. Also, the MOS transistor MP
The MOS transistors forming the transistors MN3, MP3, MP6, and MN6 and the transfer gates T5 and T6 have parasitic capacitances of diodes at their output nodes. Therefore, the gate widths of these MOS transistors are about half of the standard. Further, since high speed is not required for the set / reset operation used at the time of system reset or diagnosis, the MOS transistors MP1, MN2, MP4, M
The gate input capacitance of N5 may be increased.
Therefore, in order to increase the driving capability of the bypass circuits 41 and 42, the gate widths of these transistors are set to about 2 to 5 times the standard, and the on-resistance is made extremely small.

【0047】図4には図1に示されるフリップフロップ
回路の特性が示される。この特性は入力端子にデータを
与えた状態でクロック信号CLKを変化させてからデー
タが出力されるまでの遅延時間Tpd(正転出力Qと反
転出力Q*の平均)の負荷容量CL依存性を示し、特性
曲線(a)は図1のフリップフロップ回路30など、特
性曲線(b)は図13のフリップフロップ回路、特性曲
線(c)は図14のフリップフロップ回路に関するもの
である。
FIG. 4 shows the characteristic of the flip-flop circuit shown in FIG. This characteristic shows the load capacitance CL dependence of the delay time Tpd (the average of the normal output Q and the inverted output Q *) from the time when the clock signal CLK is changed with the data applied to the input terminal until the data is output. The characteristic curve (a) relates to the flip-flop circuit 30 shown in FIG. 1, the characteristic curve (b) relates to the flip-flop circuit shown in FIG. 13, and the characteristic curve (c) relates to the flip-flop circuit shown in FIG.

【0048】特性曲線(a)における負荷容量0.3
[PF]時の特性は例えば以下のシミュレーション条件
によって取得された。即ち、このフリップフロップ回路
は、0.2[μm]プロセスを採用した相補型MOS回
路によって構成され、電源電圧は2.0[V]を想定し
ている。MOSトランジスタの標準サイズはゲート長が
0.20[μm]、ゲート幅が15[μm]であり、標
準サイズの相補型MOSインバータゲートの入力容量は
0.05[PF]である。但し、MOSトランジスタM
P1,MP4,MN1,MN4のゲート幅は45[μ
m]、インバータゲートG2,G3,G5〜G11及び
トランスファゲートT3〜T6構成用MOSトランジス
タ並びにMOSトランジスタMP3,MN3,MP6,
MN6のゲート幅は7.5[μm]とされる。尚、負荷
容量0.3[PF]は、特に制限されないが、長さ1
[mm]、幅0.7[μm]のアルミニウム配線の寄生
容量(0.18[PF])と、fan out=2に対
応するゲート入力容量(0.1[PF])などの総和を
想定した標準負荷容量とされる。
Load capacity 0.3 in characteristic curve (a)
The characteristics at [PF] were acquired, for example, under the following simulation conditions. That is, this flip-flop circuit is configured by a complementary MOS circuit adopting the 0.2 [μm] process, and the power supply voltage is assumed to be 2.0 [V]. The standard size of the MOS transistor is 0.20 [μm] and the gate width is 15 [μm], and the input capacitance of the standard-sized complementary MOS inverter gate is 0.05 [PF]. However, MOS transistor M
The gate width of P1, MP4, MN1, and MN4 is 45 [μ
m], inverter gates G2, G3, G5 to G11 and transfer gates T3 to T6, and MOS transistors MP3, MN3, MP6.
The gate width of MN6 is 7.5 [μm]. The load capacity 0.3 [PF] is not particularly limited, but the length 1
Assuming the sum of parasitic capacitance (0.18 [PF]) of aluminum wiring of [mm] and width 0.7 [μm] and gate input capacitance (0.1 [PF]) corresponding to fan out = 2. The standard load capacity is

【0049】この特性曲線(a)で代表的に示されるよ
うに、本実施例のマイクロプロセッサ1をMOS型半導
体集積回路装置で構成するとき、素子の微細化と、これ
に伴う電源電圧低下の促進により、スケーリング則に従
ってフリップフロップ回路はもとより全体的な回路動作
が更に高速化されて現在のECL回路にも匹敵し得るよ
うになり、しかもECL回路では実現不可能な高集積化
並びに抵消費電力化を達成して、フリップフロップ回路
の性能の点において一層高速な論理動作が可能になる。
As representatively shown by the characteristic curve (a), when the microprocessor 1 of the present embodiment is constituted by a MOS type semiconductor integrated circuit device, the miniaturization of the elements and the accompanying reduction of the power supply voltage are caused. Due to the promotion, not only the flip-flop circuit but also the whole circuit operation is accelerated in accordance with the scaling rule, and it becomes comparable to the current ECL circuit, and further, high integration and low power consumption which cannot be realized by the ECL circuit. Of the flip-flop circuits, which enables higher-speed logic operation.

【0050】図5にはレーシング防止を考慮したマスタ
・スレーブ型のフリップフロップ回路の一例が示され
る。同図のVccは2ボルトとされ、GNDは0ボルト
とされる。
FIG. 5 shows an example of a master / slave type flip-flop circuit in consideration of racing prevention. In the figure, Vcc is set to 2V and GND is set to 0V.

【0051】同図に示されるフリップフロップ回路50
は、データの入力端子32と出力端子33,34との間
に、直列接続されたマスタ段51、及びスレーブ段52
の2個の記憶回路を備え、前記スレーブ段52に正転出
力用バイパス回路41と反転出力用バイパス回路42を
それぞれを並列接続して成る。マスタ段51はクロック
信号CLKのローレベルによってデータを取り込み、同
クロック信号CLKの立ち上がり変化に同期してスレー
ブ段52がマスタ段51からデータを取り込んで出力す
るようになっている。
Flip-flop circuit 50 shown in FIG.
Is a master stage 51 and a slave stage 52 connected in series between the data input terminal 32 and the output terminals 33 and 34.
2 storage circuits, and the slave stage 52 has a normal output bypass circuit 41 and an inverted output bypass circuit 42 connected in parallel. The master stage 51 takes in data according to the low level of the clock signal CLK, and the slave stage 52 takes in data from the master stage 51 and outputs it in synchronization with the rising change of the clock signal CLK.

【0052】マスタ段51は、インバータゲートG3
0、2個のトランスファゲートT10,T11、2個の
ナンドゲートG31,G32を含み、ゲートG31,G
32,T11によって構成される帰還ループでスタティ
ックラッチを構成する。スレーブ段52は、4個のトラ
ンスファゲートT12〜T15、2個のナンドゲートG
33,G34、3個のインバータゲートG35〜G37
を含んで構成され、ゲートG33,G34,T13によ
って構成される帰還ループでスタティックラッチを構成
する。バイパス回路41,42は図1と同じように構成
される。このようなマスタ・スレーブ型のフリップフロ
ップ回路50においても図1と同様に動作の高速化を図
ることができる。
The master stage 51 has an inverter gate G3.
0, two transfer gates T10, T11, two NAND gates G31, G32 are included, and gates G31, G
A feedback loop composed of 32 and T11 constitutes a static latch. The slave stage 52 has four transfer gates T12 to T15 and two NAND gates G.
33, G34, three inverter gates G35 to G37
And a feedback loop constituted by the gates G33, G34 and T13 constitutes a static latch. The bypass circuits 41 and 42 are configured in the same way as in FIG. Also in such a master / slave type flip-flop circuit 50, it is possible to speed up the operation similarly to FIG.

【0053】図6には、本発明を適用したマスタ・スレ
ーブ型のフリップフロップ回路の他の例が示されてい
る。本実施例は、図5に示した実施例と類似している。
そのため、相違点のみについて、述べる。図6の実施例
においては、マスタ段のデータ出力ではなく、トランス
ファゲートT10からのデータDが、バイパス回路4
1,42にデータDとして供給されている。この実施例
によれば、セットアップ時間を短くすることが可能であ
る。
FIG. 6 shows another example of a master / slave type flip-flop circuit to which the present invention is applied. This embodiment is similar to the embodiment shown in FIG.
Therefore, only the differences will be described. In the embodiment of FIG. 6, not the data output of the master stage but the data D from the transfer gate T10 is used as the bypass circuit 4
It is supplied as data D to 1, 42. According to this embodiment, the setup time can be shortened.

【0054】図7には、本発明を適用したマスタ・スレ
ーブ型のフリップフロップ回路の他の例が示されてい
る。本実施例も、図5に示した実施例と類似しているの
で、その相違点についてのみ主に説明する。図7の実施
例においては、図5に示したバイパス回路41,42か
らMOSトランジスタMN2,MN3,MN5,MN
6,MP1,MP3,MP4,MP6及びインバータG
1,G3が除かれている。そのため、バイパス回路4
1,42は、セット/リセット機能を有していない。こ
の実施例によれば、素子数を減らすことができる。
FIG. 7 shows another example of a master / slave type flip-flop circuit to which the present invention is applied. Since this embodiment is also similar to the embodiment shown in FIG. 5, only the differences will be mainly described. In the embodiment shown in FIG. 7, the bypass circuits 41 and 42 shown in FIG. 5 are connected to the MOS transistors MN2, MN3, MN5 and MN.
6, MP1, MP3, MP4, MP6 and inverter G
1, G3 are excluded. Therefore, the bypass circuit 4
1, 42 do not have a set / reset function. According to this embodiment, the number of elements can be reduced.

【0055】図8には、本発明を適用したマスタ・スレ
ーブ型のフリップフロップ回路の他の例が示されてい
る。本実施例も、図7に示した実施例と類似しているの
で、その相違点についてのみ主に説明する。図8の実施
例においては、更にマスタ段53が設けられており、こ
のマスタ段53からのデータが、バイパス回路41,4
2に供給されている。このマスタ段53は、上記トラン
スファゲートT10と同様な働きをするトランスファゲ
ートT16と、上記トランスファゲートT11と同様な
働きをするトランスファゲートT17とを有しており、
更に次に述べるような構成を有している。すなわち、ス
タテックラッチを形成するための帰還ループが、インバ
ータG39と、トランスファゲートT17と、MOSト
ランジスタMN10,MN11,MOSトランジスタM
P10,MP11からなるクロックドインバータ回路と
によって構成されている。また、データDは、MOSト
ランジスタMN7,MN8,MOSトランジスタMP
7,MP8からなるクロックドインバータ回路を介し
て、上記帰還ループに供給される。上記マスタ段53
は、それがセット/リセット機能を有するように、その
出力ノードには、インバータG40を介してセット信号
S*が供給されるMOSトランジスタMN9と、リセッ
ト信号R*が供給されるMOSトランジスタMP9とが
接続され、上記インバータG40により形成された反転
セット信号Sは、更に上記MOSトランジスタMP8,
MP10に供給され、上記セット信号S*は、更に上記
MOSトランジスタMN8,MN11に供給されてい
る。この実施例においても、上記バイパス回路41,4
2は、前記図5に示した実施例と同様な構成にしても良
い。
FIG. 8 shows another example of a master / slave type flip-flop circuit to which the present invention is applied. Since this embodiment is also similar to the embodiment shown in FIG. 7, only the differences will be mainly described. In the embodiment shown in FIG. 8, a master stage 53 is further provided, and the data from this master stage 53 is used as the bypass circuits 41 and 4.
2 is being supplied. The master stage 53 has a transfer gate T16 having the same function as the transfer gate T10 and a transfer gate T17 having the same function as the transfer gate T11.
Further, it has a configuration as described below. That is, the feedback loop for forming the static latch includes the inverter G39, the transfer gate T17, the MOS transistors MN10 and MN11, and the MOS transistor M.
And a clocked inverter circuit composed of P10 and MP11. Further, the data D is the MOS transistors MN7 and MN8 and the MOS transistor MP.
It is supplied to the feedback loop through a clocked inverter circuit composed of MP7. The master stage 53
The MOS transistor MN9 to which the set signal S * is supplied via the inverter G40 and the MOS transistor MP9 to which the reset signal R * is supplied to the output node thereof so that it has the set / reset function. The inverted set signal S connected by the inverter G40 is further supplied to the MOS transistor MP8,
The set signal S * supplied to the MP10 is further supplied to the MOS transistors MN8 and MN11. Also in this embodiment, the bypass circuits 41 and 4 are provided.
2 may have the same configuration as that of the embodiment shown in FIG.

【0056】図9には、本発明を適用したマスタ・スレ
ーブ型のフリップフロップ回路の他の例が示されてい
る。本実施例においては、スレーブ段にバイパス回路
(2)が並列接続されると共に、マスタ段にもバイパス
回路(1)が並列接続されている。マスタ段、スレーブ
段には、それぞれ上述した回路が使用できる。同様に、
バイパス回路(1),(2)としては、それぞれ上述し
た回路が使用できる。
FIG. 9 shows another example of a master / slave type flip-flop circuit to which the present invention is applied. In this embodiment, the bypass circuit (2) is connected in parallel to the slave stage and the bypass circuit (1) is connected to the master stage in parallel. The circuits described above can be used for the master stage and the slave stage, respectively. Similarly,
As the bypass circuits (1) and (2), the circuits described above can be used.

【0057】図10にはバイパス回路例えば正転出力用
のバイパス回路の出力段をBI−CMOS化した一例回
路が示される。このバイパス回路60は直列接続された
npn型バイポーラトランジスタBT1,BT2を出力
段に有し、前記セット/リセット用のMOSトランジス
タMP3,MN3をバイポーラトランジスタBT1,B
T2に並列接続してある。クロック信号CLKがローレ
ベルのときはトランスファゲートT1とnチャンネル型
MOSトランジスタMN10がオフ状態にされてバイパ
ス回路60の出力は高インピーダンス状態にされる。ク
ロック信号CLKがハイレベルのときはトランスファゲ
ートT1とMOSトランジスタMN10がオン状態にさ
れることにより、バイポーラトランジスタBT1,BT
2がnチャンネル型MOSトランジスタMN11のスイ
ッチ状態に応じて相補的にスイッチ動作して入力データ
Dを正転出力する。この回路構成は反転出力用のパイパ
ス回路にも適用可能であることはいうまでもない。
FIG. 10 shows an example circuit in which the output stage of the bypass circuit, for example, the bypass circuit for normal output is made into BI-CMOS. The bypass circuit 60 has npn-type bipolar transistors BT1 and BT2 connected in series at the output stage, and has the set / reset MOS transistors MP3 and MN3 connected to the bipolar transistors BT1 and BT.
It is connected in parallel to T2. When the clock signal CLK is at the low level, the transfer gate T1 and the n-channel type MOS transistor MN10 are turned off and the output of the bypass circuit 60 is set to the high impedance state. When the clock signal CLK is at high level, the transfer gate T1 and the MOS transistor MN10 are turned on, so that the bipolar transistors BT1 and BT
2 complementarily switches according to the switch state of the n-channel MOS transistor MN11 to output the input data D in the normal direction. It goes without saying that this circuit configuration can be applied to a bypass circuit for inverting output.

【0058】バイパス回路の出力段をBI−CMOS化
することにより、バイパス回路の出力動作を高速化する
ことができる。このようなBI−CMOS技術は図4の
特性曲線(a)で代表されるような超高速のフリップフ
ロップ回路を利用しない場合の代替的な手段若しくはそ
れまでの過渡的な手段として位置づけられると考えられ
る。即ち、バイポーラトランジスタを利用する性質上当
該トランジスタのベース・エミッタ間電圧はスケーリン
グ若しくは素子の微細化に従って低くすることは極めて
むずかしい。したがって、図10の様なトーテンポール
型のバイポーラ出力段を用いた場合、各バイポーラトラ
ンジスタのベースエミッタ間電圧を0.7ボルトとする
と、出力信号のハイレベルは(Vcc−0.7)ボルト
とされ、出力信号のローレベルは(GND+0.7)ボ
ルトとされる。したがってVccが5ボルトの様な値と
され、GNDが0ボルトの様な値とされる場合には、十
分な出力信号の信号振幅が得られる。しかし、Vccが
2.0ボルトの様な値とされ、GNDが0ボルトの様な
値とされる場合には、次段のCMOS回路を駆動するの
に十分な出力信号の振幅が得られない。すなわち、図1
0のバイパス回路は電源電圧Vcc,GNDの値によっ
てその使用が制限される。BI−CMOS化によってバ
イパス回路の出力動作を高速化しようとする技術は、M
OS半導体集積回路装置における素子の微細化並びに高
集積化に従って電源電圧が低下くなるという点に関して
利用できないこともあるという不都合を考慮しなければ
ならない。一方、図1や第5図のフリップフロップの使
用は、電源電圧(Vcc,GND)の値によって制限さ
れない。
By converting the output stage of the bypass circuit into BI-CMOS, the output operation of the bypass circuit can be speeded up. It is considered that such BI-CMOS technology can be positioned as an alternative means or a transient means until then when the ultra-high speed flip-flop circuit represented by the characteristic curve (a) of FIG. 4 is not used. To be In other words, it is extremely difficult to lower the base-emitter voltage of the transistor due to the nature of using the bipolar transistor due to scaling or miniaturization of the device. Therefore, when the totem-pole type bipolar output stage as shown in FIG. 10 is used, if the base-emitter voltage of each bipolar transistor is 0.7 V, the high level of the output signal is (Vcc-0.7) V. The low level of the output signal is (GND + 0.7) volt. Therefore, when Vcc is set to a value such as 5 volts and GND is set to a value such as 0 volt, a sufficient signal amplitude of the output signal is obtained. However, when Vcc is set to a value such as 2.0 V and GND is set to a value such as 0 V, the amplitude of the output signal sufficient to drive the CMOS circuit of the next stage cannot be obtained. . That is, FIG.
The use of the bypass circuit of 0 is limited by the values of the power supply voltage Vcc and GND. A technique for increasing the output operation of the bypass circuit by using BI-CMOS is M
It is necessary to take into consideration the inconvenience that the power supply voltage may be reduced due to the miniaturization and high integration of elements in the OS semiconductor integrated circuit device. On the other hand, the use of the flip-flop shown in FIGS. 1 and 5 is not limited by the value of the power supply voltage (Vcc, GND).

【0059】上記実施例によれば以下の作用効果があ
る。
According to the above embodiment, there are the following effects.

【0060】(1)図1に示されるように記憶回路40
に並列接続されたバイパス回路41,42、並びに図5
乃至図8に示されるように記憶回路としてのスレーブ段
52に並列接続されたバイパス回路41,42におい
て、クロック信号CLKがハイレベルに変化されてから
データが出力されるまでに当該データが通過すべきゲー
ト段数は、夫々のバイパス回路41,42におけるトラ
ンスファゲートT1,T2の1段だけで最小にされてい
るから、図13や図14に示されるような回路に比べて
クロック信号の変化タイミングから正規のデータが出力
されるまでの遅延時間を極めて小さくすることができ
る。
(1) Storage circuit 40 as shown in FIG.
Bypass circuits 41, 42 connected in parallel to the
In the bypass circuits 41 and 42 connected in parallel to the slave stage 52 as a storage circuit as shown in FIG. 8, the data passes after the clock signal CLK is changed to the high level and before the data is output. Since the number of power gate stages is minimized by only one stage of the transfer gates T1 and T2 in the respective bypass circuits 41 and 42, the number of gate stages should be minimized from the timing of changing the clock signal as compared with the circuits shown in FIG. 13 and FIG. The delay time until the regular data is output can be made extremely small.

【0061】(2)上記作用効果により、クロック信号
CLKの変化に同期してフリップフロップ回路から正規
のデータが出力されるまでの遅延時間は極力短くなるか
ら、情報の伝達経路に配置されたレジスタ構成用フリッ
プフロップ回路30,50に対するクロック同期動作に
よって、その論理動作タイミングが制御されるような本
実施例のマイクロプロセッサ1において、図3に示され
るようなサイクルタイムTcycを短縮することが可能
になり、これによってデータ処理の高速化を実現するこ
とができる。
(2) Due to the above-described effects, the delay time until the normal data is output from the flip-flop circuit in synchronization with the change of the clock signal CLK is shortened as much as possible. Therefore, the register arranged in the information transmission path. In the microprocessor 1 of the present embodiment in which the logic operation timing is controlled by the clock synchronization operation for the configuration flip-flop circuits 30 and 50, the cycle time Tcyc as shown in FIG. 3 can be shortened. As a result, the speed of data processing can be increased.

【0062】(3)本実施例のマイクロプロセッサ1を
MOS型半導体集積回路装置で構成するとき、素子の微
細化と、これに伴う電源電圧低下の促進により、スケー
リング則に従って、図4の特性曲線(a)で代表的に示
されるような動作特性をフリップフロップ回路30,5
0に得ることができるようになり、当該フリップフロッ
プ回路30,50はもとよりマイクロプロセッサ1の全
体的な回路動作は更に高速化されて、現在のECL回路
にも匹敵し得るようになり、しかもECL回路では実現
不可能な高集積化並びに抵消費電力化を達成することが
できる。
(3) When the microprocessor 1 of this embodiment is constituted by a MOS type semiconductor integrated circuit device, the characteristic curve of FIG. The flip-flop circuits 30 and 5 have the operation characteristics typically shown in FIG.
0, the entire circuit operation of the microprocessor 1 as well as the flip-flop circuits 30 and 50 is further speeded up to be comparable to the current ECL circuit. It is possible to achieve high integration and low power consumption that cannot be realized with a circuit.

【0063】(4)記憶回路40,52のデータ書き込
み動作時にはバイパス回路41,42の出力を出力端子
33,34に伝達し、記憶回路40,52のデータ保持
状態においては当該記憶回路の出力を前記出力端子3
3,34に伝達するようになっているから、記憶回路4
0,52の書き込み動作前の保持情報とバイパス回路4
1,42の出力情報とは一切競合しない。
(4) The outputs of the bypass circuits 41 and 42 are transmitted to the output terminals 33 and 34 during the data writing operation of the storage circuits 40 and 52, and the outputs of the storage circuits 40 and 52 are held in the data holding state. Output terminal 3
Since it is transmitted to the memory circuit 3, 34,
Retained information before write operation of 0, 52 and bypass circuit 4
It does not conflict with the output information of 1, 42 at all.

【0064】(5)記憶回路40,52は書き込みされ
たデータをスタティックにラッチするから、クロック信
号CLKのハイレベル期間に記憶回路に書き込まれたデ
ータは容量性カップリングや微小リーク電流さらにはア
ルファー線などの影響を受けて不所望にレベル反転する
ことなく安定的に出力端子33,34から出力させるこ
とができる。
(5) Since the memory circuits 40 and 52 statically latch the written data, the data written in the memory circuit during the high level period of the clock signal CLK is capacitively coupled, a minute leak current, and an alpha. It is possible to stably output from the output terminals 33 and 34 without undesired level inversion under the influence of lines or the like.

【0065】(6)トランスファゲートT5,T6の前
段に配置されたインバータゲートG10,G11又はG
36,G37の作用により、出力負荷容量の影響を受け
ずデータを出力することができる。
(6) Inverter gates G10, G11 or G arranged before the transfer gates T5, T6
By the action of 36 and G37, data can be output without being affected by the output load capacitance.

【0066】(7)クロック信号CLKの入力段にはイ
ンバータゲートG4などが配置されているから、データ
書き込み動作を規定するセットアップ時間及びホールド
時間並びにクロック最小パルス幅がクロック信号CLK
の入力波形の変化の傾きに影響されないようにすること
ができる。
(7) Since the inverter gate G4 and the like are arranged at the input stage of the clock signal CLK, the setup time and hold time for defining the data write operation and the clock minimum pulse width are the clock signal CLK.
It is possible not to be influenced by the slope of the change of the input waveform.

【0067】(8)上記作用効果(6),(7)により、フ
リップフロップ回路が適用される回路構成の如何に拘ら
ず動作の安定化若しくは動作仕様の統一化を図ることが
できる。従って、フリップフロップ回路の入出力端子に
接続される回路の駆動能力や容量性負荷が実際にこのフ
リップフロップが利用される半導体集積回路装置毎にま
ちまちであるような、自動配置配線の単位セルもしくは
標準セルとしての利用に最適とされる。
(8) By virtue of the above operational effects (6) and (7), it is possible to stabilize the operation or unify the operation specifications regardless of the circuit configuration to which the flip-flop circuit is applied. Therefore, the unit cells of the automatic placement / wiring in which the driving capacity and the capacitive load of the circuit connected to the input / output terminal of the flip-flop circuit are actually different for each semiconductor integrated circuit device in which this flip-flop is used, or It is most suitable for use as a standard cell.

【0068】(9)記憶回路と共にバイパス回路41,
42も共通のセット信号S*及びリセット信号R*を利
用したセット/リセット機能を持つことにより、書き込
み動作時においても、セット/リセット機能をクロック
信号CLKによる制御に優先させることができる。即
ち、クロック信号CLKがどのような状態にあってもフ
リップフロップ回路全体においてはセット/リセット動
作が優先される。
(9) The bypass circuit 41, together with the storage circuit
Since 42 also has the set / reset function using the common set signal S * and reset signal R *, the set / reset function can be prioritized over the control by the clock signal CLK even during the write operation. That is, regardless of the state of the clock signal CLK, the set / reset operation is prioritized in the entire flip-flop circuit.

【0069】(10)正転出力用のバイパス回路41と
反転出力用のバイパス回路42とを夫々別に設けること
により、正転出力と反転出力とを有するフリップフロッ
プ回路の構成に簡単に対応させることができる。
(10) By providing the bypass circuit 41 for normal output and the bypass circuit 42 for inverted output separately, it is possible to easily correspond to the configuration of the flip-flop circuit having the normal output and the inverted output. You can

【0070】(11)スレーブ段52にバイパス回路4
1,42を並列接続すれば、直列接続形態のマスタ段及
びスレーブ段の2個の記憶回路を備えるフリップフロッ
プ回路の構成に簡単に対応させることができる。
(11) Bypass circuit 4 in slave stage 52
If 1 and 42 are connected in parallel, it is possible to easily correspond to the configuration of a flip-flop circuit including two memory circuits of a master stage and a slave stage in a serial connection form.

【0071】(12)バイパス回路をバイポーラトラン
ジスタとMOSトランジスタを含むBI−CMOS回路
で構成することにより、その駆動能力を簡単に向上させ
ることができる。
(12) By constructing the bypass circuit by the BI-CMOS circuit including the bipolar transistor and the MOS transistor, the driving ability can be easily improved.

【0072】以上本発明者によってなされた発明を実施
例に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定
されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲におい
て種々変更可能であることは言うまでもない。
Although the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments, the present invention is not limited to the embodiments and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Yes.

【0073】例えば、記憶回路における情報記憶形式は
上記実施例に限定されず、図14のような構成などその
ほかの回路形式を適宜採用することができる。また、バ
イパス回路はクロックドインバータゲートとトランスフ
ァゲートの組み合わせに限定されず、その他のゲートを
利用して構成することもできる。また、図5に示された
上記実施例のフリップフロップ回路はセット/リセット
機能付きであるが、本発明はこれに限定されず、双方の
機能又は一方の機能を省略してもよい。例えば図11に
示されるように、バイパス回路をインバータゲートG4
0〜G42とトランスファゲートのようなスイッチゲー
トG43,G44により構成し、記憶回路をインバータ
ゲートG45〜G48並びにトランスファゲートのよう
なスイッチゲートG49,G50及びスタティックラッ
チLATによって構成することができる。また、図12
に示されるように、バイパス回路をインバータゲートG
51とクロックドインバータゲートG52,G53によ
り構成し、記憶回路をインバータゲートG54,G55
並びにクロックドインバータゲートG56,G57及び
スタティックラッチLATによって構成することができ
る。
For example, the information storage format in the storage circuit is not limited to the above embodiment, and other circuit formats such as the configuration shown in FIG. 14 can be adopted as appropriate. Further, the bypass circuit is not limited to the combination of the clocked inverter gate and the transfer gate, and can be configured by using other gates. Although the flip-flop circuit of the above embodiment shown in FIG. 5 has a set / reset function, the present invention is not limited to this, and both functions or one function may be omitted. For example, as shown in FIG. 11, the bypass circuit is connected to the inverter gate G4.
0 to G42 and switch gates G43 and G44 such as transfer gates, and the memory circuit can be constituted by inverter gates G45 to G48, switch gates G49 and G50 such as transfer gates, and static latch LAT. In addition, FIG.
As shown in FIG.
51 and clocked inverter gates G52 and G53, and the storage circuit includes inverter gates G54 and G55.
In addition, it can be constituted by clocked inverter gates G56 and G57 and a static latch LAT.

【0074】また、上記実施例では正転出力と反転出力
の双方を備えているが、何れか一方だけでもよい。ま
た、フリップフロップ回路はレベルセンス型に限定され
ず、エッジセンス若しくはエッジトリガ型であってもよ
い。また、本発明に係る半導体集積回路装置に内蔵され
るフリップフロップ回路の動作特性は図4の特性曲線
(a)並びにそのシミュレーション条件だけに限定され
ず、MOS型半導体集積回路装置におけるスケーリング
則に従ってそれ以上高速化した特性を持つものであって
もよい。
Further, although both the normal output and the inverted output are provided in the above embodiment, only one of them may be provided. Further, the flip-flop circuit is not limited to the level sense type and may be an edge sense type or an edge trigger type. The operation characteristics of the flip-flop circuit incorporated in the semiconductor integrated circuit device according to the present invention are not limited to the characteristic curve (a) of FIG. It may have a speed-up characteristic as described above.

【0075】以上の説明では主として本発明者によって
なされた発明をその背景となった利用分野であるMOS
型半導体集積回路装置で構成されたマイクロプロセッサ
に適用した場合について説明したが、本発明はそれに限
定されるものではなく、種々の論理LSIに広く適用す
ることができる。本発明は、少なくとも情報の伝達経路
に配置されたフリップフロップ回路の動作性能がLSI
全体の論理動作速度に影響を与える条件の半導体集積回
路装置に適用することができる。
In the above description, the MOS invention, which is the field of application of the invention mainly made by the present inventor, is the background of the invention.
The case where the present invention is applied to a microprocessor constituted by a semiconductor integrated circuit device has been described, but the present invention is not limited thereto and can be widely applied to various logic LSIs. According to the present invention, at least the operational performance of the flip-flop circuit arranged in the information transmission path is LSI.
It can be applied to the semiconductor integrated circuit device under the condition that affects the overall logical operation speed.

【0076】[0076]

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記
の通りである。
The effects obtained by the typical ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.

【0077】すなわち、記憶回路に並列接続されたバイ
パス回路は、内蔵ゲートの直列接続段数が記憶回路より
も少なく、若しくは入力端子から出力端子までの情報伝
達遅延が記憶回路よりも小さくされていることにより、
クロック信号の変化に同期した記憶回路の書き込み動作
が完了する以前に正規の情報を高速に出力することがで
きる。したがって、フリップフロップ回路の動作を規定
するクロック信号サイクルによって、その性能が決定さ
れるような半導体集積回路装置の論理動作を高速化する
ことができるという効果がある。
That is, in the bypass circuit connected in parallel to the storage circuit, the number of stages of built-in gates connected in series is smaller than that of the storage circuit, or the information transmission delay from the input terminal to the output terminal is smaller than that of the storage circuit. Due to
Normal information can be output at high speed before the writing operation of the memory circuit in synchronization with the change of the clock signal is completed. Therefore, it is possible to speed up the logical operation of the semiconductor integrated circuit device whose performance is determined by the clock signal cycle that defines the operation of the flip-flop circuit.

【0078】そして、斯る半導体集積回路装置をMOS
型半導体集積回路装置で構成して、素子の微細化とこれ
に伴う電源電圧低下の促進により、スケーリング則に従
ってフリップフロップ回路はもとより全体的な動作を更
に高速化することができ、高集積化並びに抵消費電力化
を犠牲にすることなく、フリップフロップ回路の性能の
点において一層高速な論理動作を達成することができる
という効果がある。
Then, such a semiconductor integrated circuit device is connected to a MOS.
Type semiconductor integrated circuit device, and by miniaturization of elements and promotion of power supply voltage drop accompanying this, it is possible to further speed up not only the flip-flop circuit but also the entire operation in accordance with the scaling rule, and high integration and There is an effect that a higher speed logical operation can be achieved in terms of the performance of the flip-flop circuit without sacrificing low power consumption.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】図1は本発明に係る半導体集積回路装置に適用
されるレベルセンス型のフリップフロップ回路の一例回
路図である。
FIG. 1 is a circuit diagram of an example of a level sense flip-flop circuit applied to a semiconductor integrated circuit device according to the present invention.

【図2】図2は本発明の一実施例に係るマイクロプロセ
ッサのチップにおけるレイアウトを示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a layout in a chip of a microprocessor according to an embodiment of the present invention.

【図3】図3はクリティカルパスの一例を示す説明図で
あ。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of a critical path.

【図4】図4は図2のマイクロプロセッサに適用される
フリップフロップ回路の特性説明図である。
FIG. 4 is a characteristic explanatory diagram of a flip-flop circuit applied to the microprocessor of FIG.

【図5】図5は本発明に係る半導体集積回路装置に適用
されるマスタ・スレーブ型フリップフロップ回路の第1
の一例回路図である。
FIG. 5 is a first master-slave flip-flop circuit applied to the semiconductor integrated circuit device according to the present invention.
It is an example circuit diagram.

【図6】図6は本発明に係る半導体集積回路装置に適用
されるマスタ・スレーブ型フリップフロップ回路の第2
の一例回路図である。
FIG. 6 is a second master / slave flip-flop circuit applied to the semiconductor integrated circuit device according to the present invention.
It is an example circuit diagram.

【図7】図7は本発明に係る半導体集積回路装置に適用
されるマスタ・スレーブ型フリップフロップ回路の第3
の一例回路図である。
FIG. 7 is a third master / slave flip-flop circuit applied to the semiconductor integrated circuit device according to the present invention.
It is an example circuit diagram.

【図8】図8は本発明に係る半導体集積回路装置に適用
されるマスタ・スレーブ型フリップフロップ回路の第4
の一例回路図である。
FIG. 8 is a fourth master / slave flip-flop circuit applied to the semiconductor integrated circuit device according to the present invention.
It is an example circuit diagram.

【図9】図9は本発明に係る半導体集積回路装置に適用
されるマスタ・スレーブ型フリップフロップ回路の第5
の一例回路図である。
FIG. 9 is a fifth master-slave flip-flop circuit applied to the semiconductor integrated circuit device according to the present invention.
It is an example circuit diagram.

【図10】図10はBI−CMOS化したバイパス回路
の一例回路図である。
FIG. 10 is a circuit diagram of an example of a BI-CMOS-based bypass circuit.

【図11】図11は夫々本発明に係る半導体集積回路装
置に適用される別のフリップフロップ回路の一例回路図
である。
FIG. 11 is a circuit diagram showing an example of another flip-flop circuit applied to the semiconductor integrated circuit device according to the present invention.

【図12】図12は夫々本発明に係る半導体集積回路装
置に適用される更に別のフリップフロップ回路の一例回
路図である。
FIG. 12 is a circuit diagram showing an example of still another flip-flop circuit applied to the semiconductor integrated circuit device according to the present invention.

【図13】図13は本発明者が検討したフリップフロッ
プ回路の回路図である。
FIG. 13 is a circuit diagram of a flip-flop circuit examined by the present inventor.

【図14】図14は本発明者が検討したさらに別のフリ
ップフロップ回路の回路図である。
FIG. 14 is a circuit diagram of still another flip-flop circuit examined by the present inventor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 マイクロプロセッサ 5 命令レジスタ 10 演算レジスタ 15 アドレスレジスタ 30 フリップフロップ回路 31 クロック信号入力端子 32 データ入力端子 33,34 データ出力端子 35 セット端子 36 リセット端子 40 記憶回路 41,42 バイパス回路 T1,T2,T5,T6 トランスファゲート G2,G4,G7,G10,G11 インバータゲート G20,G21 クロックドインバータゲート MP3,MP6 pチャンネル型MOSトランジスタ MN3,MN6 nチャンネル型MOSトランジスタ Q 正転出力 Q* 反転出力 CLK クロック信号 D 入力データ R* リセット信号 S* セット信号 50 フリップフロップ回路 51 マスタ段 52 スレーブ段 T14,T15 トランスファゲート G30 インバータゲート BT1,BT2 バイポーラトランジスタ 1 microprocessor 5 instruction register 10 Operation register 15 Address register 30 flip-flop circuit 31 Clock signal input terminal 32 data input terminals 33,34 data output terminals 35 set terminals 36 reset terminal 40 memory circuit 41,42 Bypass circuit T1, T2, T5, T6 transfer gate G2, G4, G7, G10, G11 Inverter gate G20, G21 Clocked inverter gate MP3, MP6 p-channel MOS transistor MN3, MN6 n-channel MOS transistor Q Forward output Q * inverted output CLK clock signal D input data R * reset signal S * set signal 50 flip-flop circuit 51 master stage 52 slave stages T14, T15 transfer gate G30 Inverter gate BT1, BT2 bipolar transistor

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−79328(JP,A) 特開 昭55−3234(JP,A) 特開 平5−191220(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03K 3/356 G06F 15/78 510 G06F 7/00 G06F 13/42 350 G11C 11/413 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-58-79328 (JP, A) JP-A-55-3234 (JP, A) JP-A-5-191220 (JP, A) (58) Field (Int.Cl. 7 , DB name) H03K 3/356 G06F 15/78 510 G06F 7/00 G06F 13/42 350 G11C 11/413

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 情報伝達経路に配置されたフリップフロ
ップ回路に対するクロック同期動作によって論理動作タ
イミングが決定される半導体集積回路において、前記フ
リップフロップ回路は、 データの入力端子と、 データの非反転出力端子と、 データの反転出力端子と、クロック信号に同期して 前記入力端子からデータが書き
込まれ、書き込まれたデータを保持し、保持しているデ
ータを非反転状態で前記非反転出力端子に出力すると共
に前記保持しているデータを反転状態で前記反転出力端
子に出力する記憶手段と、前記クロック信号に同期して データが前記記憶手段に書
き込まれる書き込み状態において前記データを前記非反
転出力端子に出力し、前記記憶手段に書き込まれたデー
タの保持状態において前記非反転出力端子から遮断され
る非反転バイパス回路と、前記クロック信号に同期してデータが前記記憶手段に書
き込まれる 書き込み状態において前記データを反転して
前記反転出力端子に出力し、前記記憶手段に書き込まれ
たデータの保持状態において前記反転出力端子から遮断
される反転バイパス回路と、を含み、 前記非反転バイパス回路及び前記反転バイパス回路は、
前記記憶手段よりも信号の伝播時間が短く設定されて成
ものであることを特徴とする半導体集積回路。
1. In a semiconductor integrated circuit in which a logical operation timing is determined by a clock synchronous operation with respect to a flip-flop circuit arranged in an information transmission path, the flip-flop circuit has a data input terminal and a data non-inversion output terminal. Data is written from the input terminal in synchronization with a data inversion output terminal and a clock signal , the written data is held, and the held data is output to the non-inversion output terminal in a non-inversion state. A storage unit that outputs the held data to the inversion output terminal in an inverted state, and outputs the data to the non-inversion output terminal in a write state in which the data is written to the storage unit in synchronization with the clock signal. However, in the holding state of the data written in the storage means, the data is cut off from the non-inverting output terminal. Written to the non-inverting bypass circuit and the data in synchronization with said clock signal said memory means that
Output to come the inverting output terminal and inverting the data in the write state to be written, viewed contains a inverting bypass circuit is disconnected from the inverting output terminal in a holding state of the data written in the storage means, wherein The non-inverting bypass circuit and the inverting bypass circuit,
The signal propagation time is set shorter than that of the storage means.
The semiconductor integrated circuit, characterized in that that.
【請求項2】 前記記憶手段に対するセット端子とリセ
ット端子を更に有し、 前記反転バイパス回路は前記書き込み状態において、リ
セット端子に対するリセット状態の指示に応答して、前
記反転出力端子を記憶手段のリセット状態における出力
状態に等しく強制し、セット端子に対するセット状態の
指示に応答して、前記反転出力端子を記憶手段のセット
状態における出力状態に等しく強制し、 前記非反転バイパス回路は前記書き込み状態において、
リセット端子に対するリセット状態の指示に応答して、
前記非反転出力端子を記憶手段のリセット状態における
出力状態に等しく強制し、セット端子に対するセット状
態の指示に応答して、前記非反転出力端子を記憶手段の
セット状態における出力状態に等しく強制するものであ
ることを特徴とする請求項1に記載の半導体集積回路。
2. The memory device further includes a set terminal and a reset terminal for the storage means, and the inverting bypass circuit resets the inverting output terminal of the storage means in the write state in response to a reset state instruction for the reset terminal. The output state in the state, in response to the set state instruction to the set terminal, the inverting output terminal is forced to the output state in the set state of the storage means, the non-inverting bypass circuit in the write state,
In response to the reset state instruction to the reset terminal,
Forcing the non-inverting output terminal equal to the output state of the storage means in the reset state, and forcing the non-inverting output terminal equal to the output state of the storage means in the set state in response to an instruction of the setting state to the set terminal. The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein
【請求項3】 前記記憶手段及びバイパス回路は、前記
出力端子に結合されるべき負荷を駆動するためのドライ
バ回路を有するものであることを特徴とする請求項1又
は2に記載の半導体集積回路。
3. The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein the storage unit and the bypass circuit have a driver circuit for driving a load to be coupled to the output terminal. .
【請求項4】 前記フリップフロップ回路によって構成
されたレジスタを有し、マイクロコンピュータとして1
チップ化されて成るものであることを特徴とする請求項
1乃至3の何れか1項に記載の半導体集積回路。
4. A microcomputer having a register constituted by the flip-flop circuit,
Claims characterized by being formed into chips
4. The semiconductor integrated circuit according to any one of 1 to 3.
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